近期，北京大学地球与空间科学学院唐铭等在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表文章，提出了一个解决大陆镁铁失衡问题的新假说。
该假说认为，大陆地壳中的镁铁比例之所以显著高于大洋地壳和岛弧俯冲带的新生地壳，是因为大陆的形成可能伴随着广泛的造山活动，高山高原下的岩浆分异会造成强烈的铁亏损。这一假说为理解地球地壳不同于其他太阳系岩石行星的独特性质提供了新的角度。
在下面这篇解读文章中，论文作者唐铭、陈康对相关的科学问题进行解读，并全面介绍了这项工作的思路与发现。
□ 作者：唐铭，陈康
地壳是岩石行星分异的一个必然产物，也是构建行星表面环境的基础。过去几十年的行星探测任务让我们逐渐意识到，地球的地壳构成与太阳系的其他岩石行星有着天壤之别。水星、金星、火星，以及我们的卫星月球，这些星球上，大部分地壳的化学分异只发生到玄武岩阶段，而地球要走得远得多，发展出大规模的花岗岩质，或者叫长英质的地壳。这些灰白色的地壳，在地球的表面构筑了大片大片的高地，平均海拔比海床高出4千米以上。正是这些高地的存在，我们才免于被海水淹没，地球才没有变成一个“水球”。这些高地组成了我们赖以生存的大陆。
大陆的起源是什么？这是地球科学领域的一个核心问题。大陆地壳的化学分异程度极高，这种高程度的分异作用常见于地球的俯冲带，这里，水的参与让岩浆能发生更彻底的分异，也正因此，俯冲带长期以来被认为是大陆地壳形成的关键场所。
然而，俯冲带岩浆的分异产物和大陆地壳存在一个明显的镁铁不匹配问题——从总体数据上来看，大陆地壳镁相对铁的比例要显著高于俯冲带的岩浆。即，大陆的镁指数（Mg/(Mg+Fe)原子数之比）显著高于大部分俯冲带中酸性岩浆的镁指数。
是什么导致了大陆的镁铁失衡？
不少学者都尝试过为这个问题提出可能的解释。在过去的几十年里，针对大陆镁铁失衡问题的一个主流思路是在俯冲带寻找具有高镁指数的安山岩，并研究它们的成因。这类安山岩拥有较高的镁指数，常被称为高镁安山岩。
在大部分俯冲带，高镁安山岩的形成需要非常苛刻的条件，它并非像俯冲带大部分岩浆那样，由地幔橄榄岩发生熔融，形成的玄武岩岩浆在上升进入地壳后发生分异作用形成，这样形成的安山岩往往镁指数偏低。大部分学者认为，俯冲带高镁安山岩的形成需要俯冲进入地幔后的年轻热板块直接发生熔融，形成的中酸性岩浆再与地幔的橄榄岩发生反应，由于地幔的橄榄岩极其富镁，并具有极高的镁指数，与橄榄岩反应会让板块来源的岩浆获得高镁指数的特征。这是一个相对复杂的解释，并且需要俯冲的大洋板块足够热，由这种方式形成的高镁安山岩在现今活跃的俯冲带里也比较罕见。
大陆的镁铁失衡以及高镁安山岩的问题，大部分学者是从镁的角度去思考的，比如上面提到的解释，本质上就是依靠板片熔体与富镁的地幔橄榄岩反应获得高镁。大陆的镁铁失衡，问题可能出在镁，其实也可能出在铁。直白点说，让岩浆获得高镁指数，除了加镁，也可以去铁。但是有趣的是，很少有学者从铁的角度去思考这个问题。
我们过去几年的工作，对岩浆中铁的行为更为关注。前期，我们通过研究天然样品发现，在全球尺度上，俯冲带岩浆中铁的行为受控于地壳厚度，地壳越厚的俯冲带，岩浆的铁越亏损（钙碱性）。传统观点认为，岩浆中的铁元素受控于磁铁矿的饱和结晶，但是在铁亏损岩浆的早期结晶产物（堆晶）中，我们并没有发现磁铁矿的踪影，倒是看到了大量的富铁的石榴子石。俯冲带岩浆的铁亏损与地壳厚度相关，这本质上是压力对铁的影响，我们通过热力学模拟发现，磁铁矿只能在低压下稳定，而高压下倾向于稳定石榴子石。
为了进一步验证这个推测，课题组的硕士研究生刘轩宇收集了大量岩浆结晶实验的数据，统计结果显示，磁铁矿确实只存在于低压结晶的系统中，而当压力超过0.8 GPa，磁铁矿便会消失，同时，石榴子石开始出现（图1）。这就进一步说明，随着地壳增厚，压力升高，岩浆发生铁亏损的是石榴子石，并非之前认为的磁铁矿。
图1. 不同压力下岩浆结晶实验的结晶产物数据
既然压力会影响俯冲带岩浆的铁，我们提出猜想：俯冲带岩浆分异过程中，岩浆的镁指数可能也受控于地壳的厚度。我们整理了全球活跃俯冲带火山岩的地球化学数据发现，这个规律果然存在，在这些成分接近大陆地壳的安山质岩浆中，镁指数随着地壳厚度的增加系统性地上升，并在地壳厚度大于50 km后保持在相对稳定的高值，更重要的是，厚地壳的安山岩镁指数与大陆上地壳完全一致（图2）。
图2. 俯冲的安山质岩浆镁指数与地壳厚度的关系
在今天活跃的二十多条俯冲带中，地壳厚度超过50 km的并不多见，数据主要来自南美安第斯的中部。会不会中安第斯下面恰好发生了大量的板片熔融与熔体-地幔反应呢？俯冲的板片能否熔融很大程度上取决于板片是否足够热，俯冲在中安第斯下的Nazca板片要比俯冲在南安第斯下的板片冷得多（图3），而中安第斯的火山岩却普遍具有更高的镁指数，所以在安第斯，岩浆的镁指数与板片熔融过程无关。
图3. 俯冲于南美安第斯下的Nazca板片的热流值分布
这些发现说明，在全球尺度上，俯冲带岩浆的镁指数确实受控于地壳厚度。所以，大陆的镁铁失衡问题，本质上是铁的问题，而不是镁的问题，大陆地壳的镁指数偏高（所谓的“高镁”），其实是大陆铁亏损的结果。
因此，大陆地壳的形成，可能并不需要特别复杂的俯冲板块熔融以及熔体-地幔反应。在造山带，地壳内普遍发生的岩浆分异就能形成类似大陆成分的高镁指数的中酸性岩浆。这个观点的背后，更加强调造山对造陆的影响，而非热板片俯冲。
流动在高原下的岩浆，天然具备高镁指数的特征。
当然，我们的发现并不否认，部分俯冲带的高镁安山岩确实有可能由板片熔体与地幔反应形成，但是这些过程对于形成高镁指数的大陆来说，可能并不重要。
关于大陆的镁铁失衡（高镁指数），我们给出了一个简单直接的解释。获得这个认识的关键在于，我们意识到地壳厚度对岩浆分异的影响，并从地壳厚度出发，去重组全球数据。当前的全球俯冲带数据，大部分来自地壳较薄的俯冲带，如果忽略了地壳厚度的影响，全球大数据不可避免会指向偏低的岩浆镁指数，从而让大陆的镁指数显得异常高。
【资助信息】该课题受到国家自然科学基金委员会项目资助（42125302、42073026、41888101、42073024）。唐铭个人受到科学探索奖的支持。